[发明专利]基于Synchrosqueezing变换的地震资料时频分析和衰减估计方法

说明书

技术领域

本发明属于地球物理勘探中的信号处理领域，涉及地震资料的时频分析和地震衰减估计，具体涉及一种基于Synchrosqueezing变换的地震资料时频分析和衰减估计方法。

背景技术

地震信号是复杂的非平稳信号，时频分析可以用来描述地震信号随时间的变化规律，刻画地震信号的局部特征，从而反映这些特征所对应的地质结构和储层信息。因此，时频分析是地震资料处理与解释的重要手段。随着近代信号处理理论的发展，涌现出大量的时频分析工具和时频分析方法，其中很多也被应用在地震信号分析中。

地震波经过含气储层后，高频成分衰减迅速，造成地震波在该区域的局部主频降低，这种异常可以用来指示碳氢储层的分布。然而，该异常在原始地震资料上并不明显，却可以在频率分解的剖面上得到增强。因此，不同的时频分析工具被用来检测这种异常。在这一过程中，时频分析工具的时间-频率分辨率就成为该问题的关键。

Fourier变换作为经典的谱分析工具，在地震信号处理的很多方面得到应用，比如：频谱分析，噪声压制等，它也是目前地球物理软件中的必备模块。将整道数据进行Fourier变换以后，可以得到数据的频谱分布，但是无法反映出频率的局域化特征，即无法刻画频率随时间的变化，而这恰恰是地震信号的一个重要特征。因此，大量的时间-频率域联合分析工具被用在地震信号分析中，时间域上的地震信号经过变换以后被展开到时间-频率域，得到的时频图反映了频率成分随着时间变化的情况。

加窗傅里叶变换(WFT)用移动的窗函数截取信号，然后对每个时间窗里面的信号做Fourier变换，得到信号的时间-频率分布。Partyka等人将加窗傅里叶变换用于墨西哥湾某区块三维地震数据体的谱分解，确定薄层的位置和厚度，刻画地质体的不连续性。Marfurt和Kirlin用加窗傅里叶变换分析薄层调谐效应。

加窗傅里叶变换中窗函数的选择是时间分辨率和频率分辨率的折中，一旦窗函数选定，时频图的时间分辨率和频率分辨率也随之确定。作为典型的非平稳信号，地震信号的频率随着时间不断变化，需要进行多尺度分析，即用较宽的窗分析信号的缓变成分，用较窄的窗分析信号的突变成分，加窗傅里叶变换的窗宽度固定，显然无法胜任多尺度分析的要求。为了解决这一问题，小波变换应运而生。最早将小波变换作为时间-尺度局域化工具提出的是地球物理学家Morlet，此后，物理学家Grossmann和Morlet合作，给出了小波变换的严格定义。小波变换通过尺度控制窗函数的宽度，用大尺度获得宽窗函数，小尺度获得窄窗函数，在高低频具有不同的时间-频率分辨率，实现了对信号的多分辨率分析。由于窗宽通过尺度控制，所以信号经过小波变换得到的是时间-尺度分布，称作小波尺度谱(scalogram)，尺度和频率没有确定的对应关系，依赖于母小波的选择。Chakraborty和Okaya将小波变换用于地震信号分析，并与加窗傅里叶变换作对比，展示了其优越性。Siha等人提出时频连续小波变换的概念，将小波变换产生的时间-尺度谱转化为时间-频率谱，用于检测和碳氢储层相关的低频阴影和增强细小地质结构的可视性。高静怀等人研究了地震资料处理中小波函数的选取问题，提出用匹配地震子波的函数作为基本小波，对地震资料进行去噪及分频解释的方法。高静怀等人提出三参数小波，并用于薄互层地震资料分析。Kazemeini等人将小波变换用于德国某区块的三维数据体分析，结果能够反映河道的沉积和油气的运移。

上述加窗傅里叶变换、小波变换均为线性变换，其时间-频率联合分辨率受到不确定性原理的限制。Wigner-Ville分布具有最高的时间-频率联合分辨率，也被广泛用在地震信号分析中。Li和Zheng将Wigner-Ville分布用于地震资料的谱分解，刻画碳酸盐储层。

近几年，很多学者针对地震信号分析的特点，将已有的时频分析工具进行推广和发展，或者将新的相空间分析工具用于地震信号。2013年，Lu和Liu将一个二维反褶积算子作用于加窗傅里叶变换时频谱，得到反褶积加窗傅里叶变换时频谱，提高了时频分辨率，基于该方法的谱分解被用来刻画塔里木盆地某区块的洞穴型的碳酸盐储层。2013年，Han和van der Baan利用经验模式分解(EMD)进行地震信号的时频分析，并用于加拿大某盆地的白垩纪曲流河检测和细小地质结构的刻画。

但是，传统的时频分析方法，如短时傅里叶变换和小波变换等用于地震信号时频分析时具有局限性，主要体现在由于时频原子的影响，导致信号在时频平面上的能量扩散和时频分辨率的下降。

发明内容